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塑料齿轮疲劳寿命分析
1 的疲劳破坏
疲劳是一种十分有趣的现象,当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后,应力值虽然始终没有超过材料的强度极限,甚至比屈服极限还低的情况下就可能发生破坏,这种在交变载荷重复作用下材料或结构的破坏现象就叫做疲劳破坏。
如图1所示,F表示齿轮啮合时作用于齿轮上的力。齿轮每旋转一周,轮齿啮合一次。啮合时,F由零迅速增加到最大值,然后又减小为零。因此,齿根处的弯曲应力or也由零迅速增加到某一最大值再减小为零。此过程随着齿轮的转动也不停的重复。应力or随时间t的变化曲线如图2所示。
图1 齿轮啮合时受力情况
图2 齿根应力随时间变化曲线
在现代工业中,很多零件和构件都是承受着交变载荷作用,工程塑料齿轮就是其中的典型零件。工程塑料齿轮因其质量小、自润滑、吸振好、噪声低等优点在纺织、印染、造纸和食品等传动载荷适中的轻工机械中应用很广。
疲劳破坏与传统的静力破坏有着许多明显的本质差别:
1)静力破坏是一次最大载荷作用下的破坏;疲劳被坏是多次反复载荷作用下产生的破坏,它不是短期内发生的,而是要经历一定的时间。
2)当静应力小于屈服极限或强度极限时,不会发生静力破坏;而交变应力在远小于静强度极限,甚至小于屈服极限的情况下,疲劳破坏就可能
发生。
3)静力破坏通常有明显的塑性变形产生;疲劳破坏通常没有外在宏观的显著塑性变形迹象,事先不易觉察出来,这就表明疲劳破坏具有更大的危险性。
工程塑料齿轮的疲劳寿命,是设计人员十分关注的课题,也是与实际生产紧密相关的问题。然而,在疲劳载荷作用下的疲劳寿命计算十分复杂。因为要计算疲劳寿命,必须有精确的载荷谱,材料特性或构件的S-N曲线,合适的累积损伤理论,合适的裂纹扩展理论等。本文对工程塑料齿轮疲劳分析的最终目的,就是要确定其在各种质量情况下的疲劳寿命。通过利用有限元方法和CAE软件对工程塑料齿轮的疲劳寿命进行分析研究有一定工程价值。
2 工程塑料齿轮材料的确定
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种综合性能优异的新型热塑性工程塑料,它的分子结构与普通聚乙烯(PE)完全相同,但相对分子质量可达(1~4)×106。随着相对分子质量的大幅度升高,UHMWPE表现出普通PE所不具备的优异性能,如耐磨性、耐冲击性、低摩擦系数、耐化学性和消音性等。
UHMWPE耐磨性居工程塑料之首,比尼龙66(PA66)高4倍,是碳钢、不锈钢的7—8倍。~,具有自润滑性,不粘附性。因此,本文选用UHMWPE作为工程塑料齿轮材料进行研究。UHMWPE性能见表1。
由于UHMWPE导热性能较差,所以与其啮合的齿轮选用钢材料。这样导热性好、摩损小,并能弥补工程塑料齿轮精度不高的缺点。2啮合齿轮均为标准直齿圆柱齿轮,参数为:UHMWPE齿轮齿数30,钢齿轮齿数20,模数4mm,齿宽20mm,压力角取为20°。
表1 超高相对分子质量聚乙烯性能
3 UHMWPE材料齿轮疲劳分析模型的建立
齿轮在啮合过程中,轮齿如同受线载荷的悬臂梁,齿根所受的弯矩最大,因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。当轮齿在齿顶处啮合时,处于双对齿啮合区,此时弯矩的力臂虽然最大,但力并不是最大,因此弯矩并不是最大。根据分析,齿根所受的最大弯矩发生在齿轮啮合点位于单对齿啮合区最